对于高导电性纯金属，例如银（Ag），铜（Cu）和铝（Al），提高金属的强度通常以牺牲导电性为代价，即高导电纯金属的力学性能和电学性能之间存在着相悖性。清华大学摩擦学国家重点实验室史清宇课题组采用搅拌摩擦焊加工制备新型铝基复合材料，成功突破了金属力电性能相悖性。近日，相关成果以“A novel aluminum-carbon nanotubes nanocomposite with doubled strength and preserved electrical conductivity”在发表在《Nano Research》杂志上。
提高银、铜、铝等高导电纯金属的强度而不损害电导率对电气和电子工程的许多应用具有重要意义。通常，提高金属材料力学性能的主要方法包括固溶强化、第二相强化、细晶强化以及加工硬化四种方法，这些方法通过增加晶格缺陷含量阻碍位错运动来提高金属强度。然而，电导率对金属的微观结构非常敏感，改变晶格周期性排列的微观结构变化将显著增加电子散射并导致电导率降低。 因此，强化金属材料的方法通常会改变晶格的周期性排列，增加电子散射，从而降低材料的电导率。提高金属的强度通常以牺牲导电性为代价，即高导电纯金属的力学性能和电学性能之间存在着相悖性。
碳纳米管由于具有优异的力学和电学性能，自其问世以来便受到广泛的关注。近年来，许多科研人员尝试将碳纳米管添加进高导电纯金属中提高金属的力学性能和电学性能，然而均未获成功。不同于现有研究，史清宇教授团队以碳纳米管为添加相，采用搅拌摩擦加工方法（FSP）将碳纳米管添加进工业纯铝中，制备出碳纳米管增强纯铝基复合材料。利用FSP过程中金属基体发生剧烈塑性流动的特点将铝与碳纳米管进行充分混合。测试了复合材料的力学性能和电学性能，结果表明，复合材料的抗拉强度相比于纯铝可最大提高51.8%，同时，复合材料的宏观电导率仍与纯铝保持相当，突破了纯铝力学性能和电学性能的相悖性。
图1 CNT/Al纳米复合材料和纯Al的拉伸性能(a)和电阻率(b), CNT/Al界面(c, d)。
对复合材料的组织结构进行了表征，结果表明，碳纳米管均匀弥散地分布在铝基体内，并在FSP这种热-力耦合的条件下铝碳之间形成了洁净的、紧密结合的界面。本文探讨了影响复合材料电学性能的因素，认为这种洁净的、紧密结合的铝碳界面是突破纯铝力-电性能相悖性的关键因素。
本文第一作者为博士生张帅，第二作者为陈高强助理研究员，史清宇教授为通讯作者。论文合作者中还包括清华大学机械工程系瞿体明副教授、清华大学材料学院韦进全副研究员等人。
论文链接：https://doi.org/10.1007/s12274-021-3284-4
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